Un prototipo de sensor cuántico desarrollado por investigadores de la colaboración AION ha demostrado, por primera vez, que un principio clave en el que se basan los detectores cuánticos de próxima generación puede funcionar en condiciones realistas.

El estudio muestra cómo la comparación de dos interferómetros atómicos de larga línea base, instrumentos que utilizan láseres para medir con gran precisión el comportamiento de los átomos, permite cancelar eficazmente el ruido experimental.

Esto permite recuperar señales incluso cuando las mediciones individuales están completamente dominadas por el ruido y abre la puerta a la búsqueda de ondas gravitacionales procedentes del Universo primitivo y de señales asociadas a formas exóticas de materia oscura.

El trabajo forma parte de la colaboración Atom Interferometer Observatory and Network (AION). Liderada por Imperial College London, AION reúne a investigadores de instituciones de todo el Reino Unido para desarrollar tecnologías de detección cuántica de nueva generación.

Esta investigación ha sido publicada en Nature .

Cancelando el ruido en las mediciones cuánticas

Comprender de qué está hecho el Universo e identificar nuevas fuentes de ondas gravitacionales siguen siendo algunos de los mayores desafíos de la física moderna.

Ambos problemas requieren medir señales extremadamente pequeñas que pueden perderse fácilmente entre el ruido de fondo. Encontrar métodos fiables para detectarlas es esencial para explorar regiones del Universo inaccesibles para los experimentos actuales.

Los interferómetros atómicos de larga línea base se perfilan como una de las herramientas más prometedoras para lograrlo. Funcionan utilizando láseres para dividir nubes de átomos y volver a recombinarlas posteriormente, permitiendo medir con una precisión extrema diminutas variaciones en su movimiento.

Estos experimentos se basan en comparar el comportamiento de dos nubes de átomos situadas en ubicaciones diferentes e interrogadas por el mismo láser. Cualquier diferencia entre ambas podría revelar señales ocultas hasta ahora, como por ejemplo la presencia de un campo de materia oscura.

Sin embargo, la técnica se enfrenta a un importante desafío. El láser utilizado para controlar el experimento produce un ruido de fase mucho mayor que las señales que los investigadores intentan medir. Si no se corrige, este ruido oculta completamente dichos efectos.

Para superar este problema, los científicos propusieron un enfoque diferencial, comparando dos interferómetros para que el ruido compartido se cancele. Este método constituye la base de los planes para los detectores de próxima generación, pero hasta ahora no se había demostrado en condiciones realistas.

“El uso de interferómetros atómicos para buscar materia oscura y ondas gravitacionales puede revolucionar nuestra comprensión del Universo”, afirmó Diego Blas, investigador ICREA en el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) y miembro de la colaboración AION. “Este trabajo supone un hito en el nivel de control que nuestros colegas experimentales pueden alcanzar en estos sistemas y allana el camino para desplegar este programa en los próximos años. Son tiempos realmente emocionantes”.

Poniendo a prueba el método

En el nuevo estudio, los investigadores se propusieron comprobar experimentalmente este principio.

En el Laboratorio de Estroncio Ultrafrío de Imperial construyeron un prototipo de sobremesa con dos nubes macroscópicamente separadas de estroncio-87 ultrafrío, interrogadas mediante un único láser reloj ultraestable.

El montaje se diseñó para reproducir las condiciones esperadas en experimentos futuros mucho más grandes, donde el control del ruido resulta cada vez más difícil.

Para llevar el método al límite, el equipo introdujo deliberadamente grandes cantidades de ruido de fase adicional en el sistema, muy por encima del que producen de forma natural los láseres reloj, con el objetivo de simular las condiciones previstas en detectores de larga línea base.

De forma individual, cada interferómetro dejó de ser útil, ya que su señal quedaba oculta por el ruido. Los patrones de interferencia que normalmente permiten realizar mediciones desaparecieron prácticamente.

Sin embargo, al comparar ambos interferómetros fue posible recuperar una señal clara. Aunque cada medición individual parecía aleatoria, la correlación entre ellas reveló el comportamiento subyacente del sistema. La medición combinada opera en el límite fundamental impuesto por la física cuántica, demostrando que la cancelación del ruido láser funciona tal como se requiere.

Los científicos fueron un paso más allá e introdujeron una señal oscilante adicional en el sistema, similar a la que podría producir una onda gravitacional o un campo de materia oscura. Esta señal siguió siendo claramente detectable incluso en condiciones en las que ninguno de los dos interferómetros contenía información útil por separado.

Hacia los detectores de próxima generación

Los resultados proporcionan la primera validación experimental de un principio clave en el que se basan los interferómetros atómicos de larga línea base, ayudando a resolver uno de los principales desafíos de su diseño.

Dentro del programa AION, los investigadores están desarrollando las tecnologías necesarias para ampliar estos sistemas y convertirlos en experimentos capaces de explorar nuevas regiones del Universo.

AION también forma parte de un programa internacional más amplio que incluye estrechas colaboraciones con el proyecto MAGIS en Fermilab y otras instituciones estadounidenses asociadas, con el objetivo de impulsar el desarrollo de interferómetros atómicos de gran escala para física fundamental.

Entre estas iniciativas se encuentran propuestas como el Atom Interferometry CERN Experiment (AICE), que aplicaría técnicas similares a distancias mucho mayores. Si llega a materializarse, AICE representaría una nueva dirección para CERN, aplicando sensores cuánticos a la física fundamental a gran escala. Estas instalaciones podrían situarse entre los mayores experimentos cuánticos jamás construidos.

Diego Blas afirmó: “Hemos tomado algunos de los instrumentos más precisos jamás construidos —relojes atómicos e interferómetros atómicos— y hemos demostrado que pueden reutilizarse para abrir ventanas completamente nuevas hacia las partes invisibles de nuestro Universo. Nuestro experimento actual es solo un prototipo, pero su ampliación a una instalación a gran escala en laboratorios como CERN o Fermilab permitirá abordar algunos de los mayores misterios de la física, incluida la naturaleza de la materia oscura”.

Los investigadores de AION están desarrollando actualmente planes para estos sistemas como parte de un esfuerzo internacional para construir una nueva generación de sensores cuánticos. En el futuro, estos detectores podrían explorar bandas de frecuencia de ondas gravitacionales hasta ahora inaccesibles y buscar nuevas formas de materia, abriendo una ventana completamente nueva al Universo.

El profesor Oliver Buchmueller, investigador principal de la colaboración AION en Imperial College London, añadió: “Este trabajo representa un importante hito hacia futuros sensores cuánticos de gran escala para física fundamental. Demuestra, en condiciones experimentales realistas, una técnica clave para las instalaciones de interferometría atómica de próxima generación que se están desarrollando internacionalmente, incluido MAGIS en Fermilab y la propuesta AICE en CERN”.

La colaboración AION está liderada por Imperial College London e incluye investigadores de una red de diversas instituciones, entre ellas el IFAE.